超臨界水氧化設備的設計

單玉海，孫建軍（內蒙古納順裝備工程（集團）有限公司，內蒙古呼和浩特 010051）

超臨界水氧化設備的設計

單玉海，孫建軍
（內蒙古納順裝備工程（集團）有限公司，內蒙古呼和浩特 010051）

針對目前水污染比較嚴重的情況，通過相關設備的選型及計算，研發設計了一套用于有機污水處理的超臨界水氧化設備，并設計了工藝流程圖。超臨界水氧化設備采用管式反應器，其材質為內徑4mm的不銹鋼管，預熱器和反應器管長為10m，盤管壁厚為2mm；進料設備采用高壓柱塞泵將廢液打入反應器；預熱系統采用316L不銹鋼盤管置于電加熱爐中進行預熱，石棉來保溫；該設計為超臨界水氧化處理有機污水提供了有效的成套裝置。

超臨界水氧化；管式反應器；預熱系統

近年來，水體污染的趨勢日益加重，處理和防治水體污染的任務迫在眉睫。超臨界水氧化技術是一種新型、高效的廢物處理技術[1]。該技術可以在極短的反應時間內將廢水中的有機物徹底完全氧化分解，完全去除有機廢物中的有毒有害物質，當有機物廢水中有機物含量較大時，反應所需的熱量可以自給，同時還可以回收反應產生的熱能，實現資源的充分利用，具有適應性強、適用范圍廣泛、節約源消耗、處理效率高等特點[2-5]，是近二十多年來發展起來的極具潛力的有機廢物處理方法。

1　反應器的設計

1.1反應器材料的選擇

反應器在超臨界水氧化處理的整個工藝設備流程中，是最關鍵的部件。超臨界水氧化反應器的型式則主要有管式反應器、釜式反應器和蒸發器壁反應器三類。

經過退火固溶處理的316L不銹鋼鋼管具有異常優越的耐腐蝕性能和耐高溫氧化性能，在制漿和造紙的生產過程中得到廣泛的應用。綜合考慮材料經濟性、耐腐蝕性及加工性能，本文選用了316L作為反應器及加熱器的主要材料。316L對應于我國的00Cr17Ni14Mo2。316L的化學成分如表1所示：

表1　316L主要化學成分

1.2盤管反應器長度的確定

管式反應器與預熱器的兩端都用不銹鋼纏繞式的墊圈密封，這樣的設計便于安裝和拆卸。另外，盤管接頭處的凹槽設計使密封更容易得到保證。管式反應器內徑4mm，壁厚2mm，管長10m，纏繞后的總有效高度為400mm，纏繞后的內徑為80mm。在用該裝置進行超臨界水氧化處理廢水試驗時，較長的管長可以增加廢溶在管式反應器中的停留時間，可以提高有機廢物的轉化效率。

2　配件的設計

2.1進料系統設計

本文所采用的工藝是用高壓柱塞泵將廢溶打入反應器。該泵可以提供超臨界水氧化所需要的25MPa的高壓，同時可以精確地計量打入反應器中廢溶的量。用氧氣作為氧化劑，用高壓壓縮機將空氣壓縮來提供動力，驅動氣體增壓泵將氧氣壓縮至所需要的壓力。為了能夠穩定地供給氧氣，壓縮后的氧氣先進入一個緩沖瓶，然后經調節閥調節控制流量進入反應器。

超臨界水氧化反應器在反應過程中呈酸性環境，這是因為在有機物的氧化分解反應過程中產生了有機羧酸。酸性環境對材料有強烈的腐蝕作用，因此在反應之前，需要在廢水原料溶中加入一定量的NaOH和Na2CO3來作為堿化劑以使原廢溶呈現堿性，以此來緩和反應器中介質的酸性，減輕設備的腐蝕。

2.2預熱系統設計

預熱系統采用316L不銹鋼盤管置于電加熱爐中進行預熱，用石棉來保溫。氣路和溶路分別預熱至一定溫度后通過單向閥于反應器中混合。分別預熱是因為：一方面氣體和溶體的比熱不同，加熱至同樣溫度所需的供熱量不同，另一方面是氣體和溶體分路加熱對設備的腐蝕性小，三是氣體和溶體在臨界溫度前不互溶，混合時將產生氣溶分段使進料系統不穩定。通過調壓器，可控制電加熱器功率，從而控制預熱器溫度，同時通過流量的調節可起到流體溫度的控制的作用。

3　結束語

本設計是以超臨界水氧化的工藝特點為背景，確定了最優的超臨界水氧化廢水處理工藝，選取并設計了超臨界水氧化反應器的結構類型及相關附件。針對超臨界水氧化反應器容易腐蝕堵塞的特點，選用螺旋盤管反應器，在盤管反應器內急速的流體可以有效地解決廢溶鹽沉淀的問題。盤管反應器與釜式反應器相比，降低了整套裝置的運行費用，更便于機加工與拆卸維護。實踐證明，該套超臨界水氧化裝置設計合理，運行可靠，為今后超臨界水氧化連續型實驗裝置的優化提供一定的參考。

[1] 劉春明，董秀芹，張敏華.超臨界水氧化技術處理工業廢水的研究進展[J].化工進 展，2011，30，（8）.1841-1846.

[2] 高妍，王增長.淺談超臨界水氧化技術[J].科技情報開發與經濟. 2011，21，（18）.176-178.

Design of Super Critical Water Oxidation Equipment

Shan Yu-hai，Sun Jian-jun

In view of the current situation more serious water pollution，through selection and calculation of related equipment，research and design of a supercritical water oxidation equipment for organic wastewater treatment，and design process flow chart. Supercritical water oxidation equipment using tubular reactor，the material for the inner diameter of 4mm stainless steel tube，preheater and reactor tube length is 10 meters，the coil wall thickness of 2mm；feed equipment using high-pressure piston pump the waste into the reactor；preheating system with 316L stainless steel coil placed electric furnace preheated to asbestos insulation；the design of supercritical water oxidation treatment of organic waste water provides an effective complete sets of equipment.

supercritical water oxidation；tubular reactor；preheating system

TQ9

A

1003-6490（2016）03-0083-01

2016-02-25

單玉海（1962—），男，內蒙古錫林浩特人，工程師，主要從事高端機械裝備制造工作。